Ядерная физика

атомного ядра
Спин и момент ядер
Ядерные силы
Структура ядра
Ядерные реакции
Радиоактивность

2007
Бейзер А. Основные представления современной физики. М.: Атомиздат, 1973
Сивухин Д.В.

Т5. Атомная и ядерная физика. М.: Физматлит, 2002
Дополнительная литература:
Абрамов А.И. История ядерной физики. УРСС, 2006.
Ахиезер А.И. Биография элементарных частиц. Киев, 1979.
Хэлперн П. Коллайдер. М.: ЭКСМО, 2010.

фм.
Размеры слишком малы
для непосредственного наблюдения.

Важные вопросы:
Структурные элементы ядра
Можно ли

говорить об их относительном движении?
Какие законы описывают внутренность ядер?

Требуется знать:
Ядерные силы (2, 3)
Структура ядра (2, 3)
Элементарные частицы (1)

Масштабные характеристики ядра

Беккерель при изучении флуоресценции уранила калия открыл радиоактивность. Нобелевская премия

по физике в 1903 г. вместе с Марией и Пьером Кюри.

Предпосылки ядерной физики – открытие радиоактивности

1903 г. – Нобелевская премия по физике за открытие радиоактивности (Беккерель, Мария и Пьер Кюри).

сиборгий, Rg – резерфордий)
Бета-частица – электроны
Гамма-частицы – высокоэнергетичные фотоны (Dy

– диспрозий)

При делении ядра формируются другие ядра, которые в свою очередь тоже могут быть радиоактивными, а также нейтроны. Этот процесс – основа для создания ядерных реакторов и оружия. (U, Xe, Sr – уран, ксенон, стронций)

эффекта (Георгий Гамов, Рональд Герни, Эдвард Кондон)
Зависимость потенциальной энергии –частицы

от расстояния до центра ядра.

Закон Гейгера-Неттола. Зависимость периода полураспада от энергии –частиц для ряда различных радиоактивных ядер.

премия за 1935 г.)
Последовательное превращение кислорода-16 в -17 и -18

(8 протонов и 8/9/10 нейтронов)

1) 1930 г. – Боте и Беккер обнаружили новый вид ядерного излучения при облучении бериллиевой мишени потоком альфа-частиц.
2) Фредерик и Ирен Жолио-Кюри обнаружили, что это излучение при бомбардировке парафина приводит к вылету из него протонов.
3) Дж. Чедвик предположил, что обнаружен новый тип элементарных частиц – их масса близка к массе протона, заряда не имеют
4) Вернер Гейзенберг теоретически обосновал состав ядра из протонов и нейтронов, а не из протонов и электронов. Эта модель лучше отвечает структуре периодической таблицы.

премия за 1936 г.)
При изучении космических лучей обнаружил необычные следы

в камере Вильсона при изучении.
Объяснил их как следы частицы с массой электрона, но положительным зарядом.
Подтвердил теоретические предсказания о существовании позитрона Поля Дирака.

Трек позитрона в камере Вильсона в магнитном поле.
Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона.
Темная полоса, пересекающая трек – слой вещества, в нем позитрон теряет часть энергии и при выходе двигается с меньшей скоростью (трек искривлён сильнее).

– Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон
Умножитель преобразует переменное напряжение в

высокое постоянное напряжение с использованием конденсаторов и диодов.
Разрушили ядро Li посредством бомбардировки ускоренными протонами и исследовали продукты реакции (гелий).
Нобелевская премия 1951 г. – «За работы по трансмутации атомных ядер с помощью искусственно ускоренных частиц»

Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона

+Ze, Z – атомный номер
Мозли измерил длины волн для характеристических

спектров более 40 элементов.

В модели Бора:
1) Электрон выбивается с орбиты n=1 быстрым электроном или рентгеновским фотоном.
2) Вакантное место заполняется электроном с орбиты n=2 или более высокой.
3) Разность энергий орбит будет излучаться в виде фотона, длина волны которого для достаточного больших Z (>12) будет находиться в рентгеновской области.

Z для характеристических рентгеновских лучей.
K-серия: переходы на вакансии в оболочке

n=1 (К-оболочка)
L-серия: переходы на вакансии в оболочке n=2 (L-оболочка)

An, b – константы для каждой линии характеристического излучения
Смысл работ Мозли: атомы в периодической таблице размещаются не по порядковому номеру - массе, а по зарядовому числу Z.

число частиц в ядре:
Z – атомный номер, N – изотопическое

число
A – массовое число, примерно равно атомному весу
Протоны и нейтроны – нуклоны. Занимают объем от 1 до 10 фм. Состоят из 3 кварков.

Некоторые характеристики составных частей атома

ядерный магнетон

магнетон Бора (примерно в 2000 раз больше ядерного)

заряженных частиц (опыты Резерфорда)
Свойства альфа-распада
Вета-распад зеркальных нуклидов (у

которых Z и N меняются местами)

График: формула Резерфорда для альфа-частиц, падающих на свинцовую мишень.



Оценка радиуса для алюминия:

ядер:

с 1953 г.
1961 г. – Нобелевская премия за открытие внутренней

структуры нуклонов
Энергии электронов: 200-500 МэВ, длина волны около 2.5 фм

График: дифракция рассеяния ускоренных электронов на ядрах 16O и 12C.
Условие первого дифракционного минимума:

полученные при рассеянии на них электронов с энергией 420 МэВ.
Формула

для вычисления радиуса по дифракционной картине:

Местоположение первого минимума:

Дебройлевская длина волны электрона:

Импульс электрона с энергией 420 МэВ:

Длина волны электрона:

Оценка радиуса ядра:

не одинаковые результаты.
Может измеряться или радиус ядерного взаимодействия (рассеяние нейтронов),

или распределение заряда в ядре (рассеяние электронов).

- все ядра имеют примерно одинаковую плотность

Капельная модель ядра: аналогия с жидкостью – ядра рассматриваются как шарообразные капли несжимаемой ядерной жидкости.
Капельная модель:
Позволяет вычислять массы ядер
Объясняет ряд свойств ядер, в т.ч. деление тяжелых ядер

Плотность ядра: 1017 кг/м3 (V=1 мм3 – m=200000 т)
Плотность атома: 103 кг/м3

звезды взрывается и остается ядро, содержащее только нейтроны – нейтронная

звезда. Ее плотность примерно равна плотности ядер. Вычислить радиус звезды с массой, равной массе Солнца 1.99·1030кг.

Масса нейтронной звезды с ядерной плотностью 1017 кг/м3 :

1) Имеется тесная пара звезд, состоящая из сверхгиганта

и солнцеподобной звезды
2) Массивная звезда быстро эволюционирует, взрывается как сверхновая и образует пульсар
3) Спустя миллиарды лет вторая звезда становится красным гигантом, и ее вещество начинает перетекать на нейтронную звезду
4) Скорость вращения нейтронной звезды увеличивается, ее излучение разогревает и развеивает в пространстве внешние слои звезды-гиганта

> , >
(б): < ,

<

Электрический квадрупольный момент – характеристика несферичности ядра (несферичности распределения его электрического заряда):

в ядре.

химический элемент в среднем приходится 2.6 стабильных изотопа.
При Z=20, 28,

50, 82 изотопов больше.
Олово Z=50 – имеет 10 устойчивых изотопов
«Магические Z» - проявление оболочечной структуры ядра.

Пояснение формы кривой стабильности на основе принципа Паули и электростатического отталкивания протонов.

отклонению в магнитном поле.
Масса атома меньше суммы масс ядра и

электронов на энергию связи электронов:

Энергия связи ядра Eсв.ядра >> Есв.ат.

Зависимость удельной энергии связи Eсв.ядра /A от массового числа A

I
Результирующий магнитный момент ядра: сумма моментов нуклонов
Полный момент импульса атома:
где
-

момент импульса электронов

Классическая модель магнитного дипольного момента: осевое вращение заряженной частицы

Круговой ток порождает магнитный момент, перпендикулярный плоскости тока

Классическая модель орбитального момента: вращение частицы по круговой орбите

ядерный магнетон
Правило отбора:
F = (I+J), (I+J-1), …, |I-J|
Число возможных значений

F:

Результат – каждая спектральная линия атома расщепляется на NF компонент – сверхтонкая структура спектральных линий. Величина расщепления (примерно в 2000 раз меньше тонкого расщепления):

gN – фактор (множитель) Ланде, обычно от 1 до 5
mI – магнитное квантовое число (Iz), max(|mI |)=I

Be – магнитное поле в области ядра, создаваемое электронами

– магнитный момент ядра

водорода).
Стрелками показаны разрешенные переходы между уровнями.

уточненная диаграмма
Для переходов указаны длины волн.
Пример обозначения: 2P3/2: состояние

с l=1/2 и j=3/2
j – квантовое число момента импульса атома:
j = l +s

Тонкая структура линий: расщепление за счет учета движения электронов вокруг движения ядра (спин-орбитальное взаимодействие)
Пример: дублетные состояния 2P3/2 и 2P1/2 c разностью энергий около 0.002 эВ.
Дают наиболее интенсивные линии D1 и D2:

2P3/2 и 2P1/2
Каждому уровню соответствует свое значение полного момента

импульса атома:

Правило отбора:

Линия D2 – 6 компонент
Линия D1 – 4 компоненты